فناوری ماهواره
مهدی نصیری سروی؛ مهدی جلیلیان
چکیده
پیشینه و اهداف: چکیده یکی از بخشهای کلیدی هر مقاله است و باید بهصورت سازمانیافته و روشن، زمینه، مسأله و هدف را در کنار روش، یافتهها و نتیجهگیری بیان کند. در حوزه ناوبری نوریِ فضاپیما در مدار پایین زمین، اتکا به حسگرهای مبتنی بر تصویر بهعنوان جایگزین یا پشتیبان سامانههای رادیویی اهمیت فزایندهای یافته است. چالش اصلی، حفظ ...
بیشتر
پیشینه و اهداف: چکیده یکی از بخشهای کلیدی هر مقاله است و باید بهصورت سازمانیافته و روشن، زمینه، مسأله و هدف را در کنار روش، یافتهها و نتیجهگیری بیان کند. در حوزه ناوبری نوریِ فضاپیما در مدار پایین زمین، اتکا به حسگرهای مبتنی بر تصویر بهعنوان جایگزین یا پشتیبان سامانههای رادیویی اهمیت فزایندهای یافته است. چالش اصلی، حفظ دقت و پایداری در شرایطی است که پوشش سامانههای رادیویی کاهش مییابد یا محیط دید دچار افت میشود. پژوهش حاضر بر پایه ادغام اطلاعات حسگر ستاره و حسگر افق زمین بنا شده است تا زنجیرهای ارائه دهد که بدون تکیه به زیرساخت رادیویی، بتواند وضعیت و موقعیت فضاپیما را با دقت قابل اتکا برآورد کند. ایده محوری آن است که حسگر افق زمین قید هندسی نیرومندی را در راستای شعاعی ایجاد میکند و حسگر ستاره، خطیسازی و پایایی تخمین وضعیت را بهبود میدهد. هدفها بهطور شفاف عبارتاند از: طراحی و پیادهسازی یک زنجیره ادغام ناهمنرخ برای دو حسگر مکمل، تدوین راهبرد وزندهی سازگار با هندسه مدار و سنجهها، پایش کیفیت اندازهگیریها با شاخصهای آماری قابل تفسیر، و بهبود رفتار زمانی خروجی برای کاربردهای عملیاتی که نسبت به نوسانهای کوتاهدوره حساساند.روشها: سامانه پیشنهادی بر یک مسیر شبیهسازیشده در مدار پایین زمین و حقیقتِ مبنا حاصل از نرمافزار تخصصی شبیهسازی مداری استوار است. جریان داده شامل بردارهای ستارهای از حسگر ستاره و لبه افق زمین از حسگر افق زمین است که با نرخهای متفاوت در دسترس قرار میگیرند. ادغام بر پایه یک فیلتر کالمن توسعهیافته انجام میشود که در آن معادلات دینامیکی وضعیت و مکان، با مدلسازی اختلالات اصلی و نویزهای فرایندی و اندازهگیری فرموله شدهاند. بهسبب ناهمنرخ بودن سنجهها، بهروزرسانیها بهصورت رویدادمحور انجام میشود و برای همترازی زمانی، از میانیابی وضعیت بهره گرفته میشود. کنترل کیفیت اندازهگیریها با گیتینگ (ناحیه بندی) آماری بر پایه فاصله ماهالانوبیس انجام میگیرد تا مؤلفههای ناسازگار بهموقع کنار گذاشته شوند. برای همسو کردن سهم اطلاعاتی هر راستا با فیزیک مسأله، از وزندهی بیضوی در دستگاه شعاعی، مماسی و عمود بر مدار استفاده شده است. بهمنظور کاهش نوسان کوتاهدوره در راستاهای صفحهای، اسموتینگ (صاف کننده) پسپردازشی از نوع رائو–تارب–استرایبل بهصورت انتخابی تنها بر مؤلفههای غیرشعاعی اعمال میشود و برآورد شعاعی همان برونداد فیلتر باقی میماند تا قید افق زمین مخدوش نشود. ارزیابی کارایی در سناریوهای گوناگون نویزی انجام شده و محاسبه شاخصهای خطا مانند میانگین مربعات و میانگین قدر مطلق خطا، در کنار تحلیل پایداری با رصد روند نوآوری و نرخ پذیرش بهروزرسانیها، مبنای قضاوت قرار گرفته است.یافتهها: نتایج نشان داد ادغام ناهمنرخ حسگر ستاره و حسگر افق زمین در قالب فیلتر کالمن توسعهیافته به همراه اسموتینگ (صاف کننده) انتخابی، خطای کلی مکان را بهطور معناداری کاهش میدهد و همزمان، راستای شعاعی به دلیل قید قوی حسگر افق زمین مقید و پایدار باقی میماند. کاهش محسوس نوسان در مؤلفههای صفحهای با حفظ رفتار طبیعی مؤلفه شعاعی مشاهده شد؛ بهگونهای که منحنیهای خطا در بازه زمانی، الگوی هموارتر و سازگارتر با دینامیک مدار پیدا کردند. محاسبه خطای میانگین مربعات و میانگین قدر مطلق، بهبود پایدار عملکرد را نسبت به حالت بدون اسموتینگ (صاف کننده) تأیید کرد و تحلیل نوآوری نشان داد همترازی زمانی و وزندهی اندازهگیریها بهدرستی تنظیم شده است. نرخ پذیرش بهروزرسانیها روند یکنواختی داشت و نشان داد گیتینگ (ناحیه بندی) آماری توانسته است تعادل مطلوبی میان حذف پرتها و حفظ اطلاعات مفید برقرار کند. ارزیابی سناریوهای با نویز بالاتر نشان داد هرچند دامنه نوسان افزایش مییابد و زمان رسیدن به باند عملکرد طولانیتر میشود، سامانه پیشنهادی همچنان به محدوده خطای قابل قبول همگرا میشود و بیشترین تأثیر اسموتینگ (صاف کننده) در راستاهای صفحهای نمود دارد.نتیجهگیری: جمعبندی نتایج نشان میدهد ترکیب دو حسگر مکمل با ادغام ناهمنرخ، وزندهی سازگار با هندسه مدار و اسموتینگ (صاف کننده) انتخابی، چارچوبی عملی و کمهزینه برای ناوبری نوری در مدار پایین زمین فراهم میکند. این چارچوب علاوه بر ارتقای دقت، رفتار زمانی منظمتری تولید میکند که برای تصمیمگیریهای آستانهمحور در عملیات فضایی ارزشمند است. از دید کاربرد، راهکار پیشنهادی برای ماهوارههای کوچک و مأموریتهای با منابع محاسباتی محدود مناسب است و میتواند نقش پشتیبان یا جایگزین سامانههای رادیویی را در شرایط دشوار بر عهده گیرد. در عین حال، محدودیتهایی مانند اتکا به محیط شبیهسازی و سادهسازی برخی مدلها وجود دارد. گذار به محیط عملیاتی مستلزم آزمایشهای زمینی و در حلقه با حسگرهای واقعی و نیز کالیبراسیون دقیق ماتریسهای نصب است. پیشنهاد میشود حساسیت سامانه نسبت به بایاس حسگر افق زمین، درخشش پراکنده، دورههای طولانی سایه و مانورهای گذرا بررسی شود. از منظر برآورد، آزمون گونههای پیشرفته فیلتر کالمن و طراحی اسموتینگ (صاف کننده) با قیدهای سختتر، همراه با مدلسازی پرفیدلیِ دینامیک و زمانبندی دقیقتر در ادغام ناهمنرخ، میتواند مسیر ارتقای بیشتر را هموار کند و زمینه را برای توسعه نسخههای عملیاتی آماده بهکار فراهم آورد.
فناوری ماهواره
مجتبی ابوالقاسمی
چکیده
پیشینه و اهداف: زمین دارای یک اکوسیستم پیچیده است که تحت تأثیر فرآیندهای طبیعی و فعالیتهای انسانی قرار دارد و درک این فرآیندها یک ضرورت واقعی است. تغییرات محیطی از تغییرات اقلیمی تا کاهش منابع طبیعی، بر زندگی بشر، اقتصادها و رفاه نسلهای آینده تأثیر میگذارد. بنابراین، نیاز به رصد جامع زمین هرگز تا این اندازه حیاتی نبوده است. ...
بیشتر
پیشینه و اهداف: زمین دارای یک اکوسیستم پیچیده است که تحت تأثیر فرآیندهای طبیعی و فعالیتهای انسانی قرار دارد و درک این فرآیندها یک ضرورت واقعی است. تغییرات محیطی از تغییرات اقلیمی تا کاهش منابع طبیعی، بر زندگی بشر، اقتصادها و رفاه نسلهای آینده تأثیر میگذارد. بنابراین، نیاز به رصد جامع زمین هرگز تا این اندازه حیاتی نبوده است. برای توجه به این ضرورت، برنامه کوپرنیکوس در اوایل دهه 2000 توسط سازمان فضایی اروپا ایجاد شد. هدف این برنامه، ایجاد یک سامانه عملیاتی برای نظارت بر زمین با دسترسی رایگان و آزاد به دادههای ماهوارهای با کیفیت بالا بود. ماهوارهای سنتینل، بعنوان هسته اصلی برنامه کوپرنیکوس، یکی از نمادهای پیشرفت بشریت در رصد زمین و پایش محیط زیست است. این مقاله به بررسی ماهوارهای سنتینل میپردازد و اهمیت، اصول اولیه و ویژگیهای منحصر به فرد هر یک از ماهوارههای سنتینل را نشان میدهد. ماهوارههای سنتینل نسبت به ماهوارههای نسل قبل از خود، به عنوان پلتفرمهای عملیاتی منحصر به فرد محسوب میشوند.روشها: در این مقاله چارچوب اصلی برنامه کوپرنیکوس، مانند دسترسی آزاد به دادههای ماهوارهای، پوشش جهانی، پایداری عملیاتی، حسگرهای متنوع و چارچوب همکاری جهانی که کمک شایانی به پژوهشگران، سیاست گذاران و سایر بهره برداران دادههای ماهوارهای کرده، مورد ارزیابی قرار گرفته است. مجموعه ماهوارهای سنتینل شامل ماهوارههای متعددی است که تصاویری در محدودههای طیفی مختلف، با پوشش جهانی و زمان دید مجددهای مختلف از زمین اخذ میکنند. این ماهوارهها پایداری عملیاتی دارند و نسلهای جدیدی از ماهوارهها برای جایگزینی ماهوارههای قدیمیتر توسعه مییابند و به فضا پرتاب میشوند. هر ماهواره با حسگرهای خاص منطبق بر اهداف مأموریتی خود تجهیز شده است و این امکان را فراهم میکند که پایش خشکیها، اقیانوسها و جو کره زمین با بهترین ابزارهای ممکن از فضا صورت پذیرد.یافتهها: ماهواره سنتینل-1 که به حسگر راداری مجهز شده است میتواند در باند فرکانسی C و توانهای مکانی مختلف از 5 تا 40 متر تصویربرداری کند. همچنین، این ماهواره قادر است در هر شرایط آب و هوایی و در هر ساعت از شبانه و روز تصویربرداری میکند که برای بسیاری از کاربردها ارزشمند است. دقت دادههای سنتینل-1 در پایش تغییرات شکل سطح زمین، مدیریت بحران، مشاهدات یخهای قطبی و پایش اقیانوسها بسیار بالاست. این نقش حیاتی در آشکارسازی و پایش فرونشست زمین در مناطق شهری موجب میشود که در برنامهریزی شهری و کمک به پیشگیری از بحران تاثیرگذار باشد. از سوی دیگر، ماهواره سنتینل-2 با حسگر چندطیفی، ابزار قدرتمندی برای مشاهدات زمین ارائه میدهد. با ثبت دادهها در یک محدوده طیفی گسترده در 13 باند طیفی از مرئی تا مادون قرمز موج کوتاه، این ماهواره توانسته است درک ما از ویژگیهای سطح زمین را عمیق تر کند. زمان دید مجدد این ماهواره امکان پایش محصولات زراعی و ارزیابی سلامت پوششهای گیاهی را فراهم کرده است. همچنین، توان تفکیک مکانی تصاویر ماهواره سنتینل-2 در برنامهریزی شهری، پایش سلامت درختان و پایش سوانح طبیعی از جمله مانند آتشسوزی و سیل عامل مؤثری است. علاوه بر این، عرض گذر بالای این ماهواره به پوشش کارآمد مناطق وسیع کمک میکند و بهرهوری آن در پایش محیط زیست را افزایش میدهد .نتیجهگیری: برنامه کوپرنیکوس به چندین اصل کلیدی مشخص شناخته میشود که موفقیت آنها را تضمین کرده است. این اصول شامل دسترسی آزاد به دادهها، پوشش جهانی، پیوستگی عملیاتی، حسگرهای متنوع و چارچوب همکاری جهانی است. اصل دسترسی آزاد این اطمینان را به عموم کاربران اعم از پژوهشگران، سیاستگذاران و شرکتهای تجاری داده است که یک جریان پیوسته از تصاویر ماهوارهای پشتیبان فعالیتهای آنها خواهد بود. برنامه کوپرنیکوس با منظومهای از ماهوارهها پوشش جهانی با زمان دید مجدد مطلوب را تضمین میکند. پیوستگی عملیاتی این برنامه موجب شده است تا نسلهای جدید از ماهوارهها برای جایگزینی نسلهای قدیمی توسعه داده و پرتاب شوند، تا جریان مستمر دادهها به طور مداوم تضمین شود. هر ماهواره سنتینل با حسگرهای خاصی که به منظور اهداف مأموریتی خود طراحی شده، تجهیز شده است و این امکان را فراهم میکند که زمین، اقیانوسها، جو و موارد دیگر را نظارت کند. باتوجه به ویژگیهای برنامه کوپرنیکوس، ماهوارههای سنتینل دورهای جدید از مشاهدات زمین را آغاز کردهاند و یک ابزار قدرتمند و چندمنظوره برای پایش و درک اکوسیستم کرهزمین فراهم آوردهاند.
فناوری ماهواره
مهدی نصیری سروی؛ هادی مهدی پور
چکیده
پیشینه و اهداف: سنجش از دور شامل جمعآوری اطلاعات در مورد ویژگیهای فیزیکی، شیمیایی و زیستی اهداف روی سطح زمین است. در دههی اخیر، تاسوارهها (CubeSats) از ابزارهای آموزشی محض به سکوهای استاندارد و ارزانقیمت برای نمایش فناوری و قرارگیری محمولههای علمی- تحقیقاتی در مدار زمین تبدیل شدهاند. تاسواره، به نوعی از ماهوارههای ...
بیشتر
پیشینه و اهداف: سنجش از دور شامل جمعآوری اطلاعات در مورد ویژگیهای فیزیکی، شیمیایی و زیستی اهداف روی سطح زمین است. در دههی اخیر، تاسوارهها (CubeSats) از ابزارهای آموزشی محض به سکوهای استاندارد و ارزانقیمت برای نمایش فناوری و قرارگیری محمولههای علمی- تحقیقاتی در مدار زمین تبدیل شدهاند. تاسواره، به نوعی از ماهوارههای کوچک متشکل از واحدهای مکعب شکل در ابعاد ۱۰×۱۰×۱۰ سانتیمتر مکعب و وزنی در حدود 3/1 کیلوگرم گفته میشود. استفاده از فناوری نانو برای کوچکسازی قطعات الکترونیکی با کیفیت فضایی، کاهش هزینه و زمان برای توسعهی فناوریهای مرتبط با ساخت محموله و باس ماهواره و امکان قرارگیری منظومهای از ماهوارههای تاسواره در مدار تنها با یک پرتاب، ازجمله مزایایی است که شرکتها و سازمآنهای فضایی را نسبت به طراحی و ساخت اینگونه ماهواره ترغیب نموده است.روشها: در این مطالعه، به مرور مشخصات فنی، تواناییها، کاربردها و محدودیتهای تاسواره برای مأموریتهای مشاهدات زمین پرداخته میشود تا با ارزیابی این مأموریتها بتوان چشمانداز روشنی برای آیندهی کاربریهای سنجش از دوردر کشور، متصور شد. در ابتدا، گزارشی از توسعه و مأموریتهای جدید تاسوارههای سازمآنهای فضایی، دانشگاهها و شرکتهای خصوصی ارائه میگردد. پس از مروری جامع با دید سامانه بر توانمندی باس تاسواره و محدودیتهای بالقوه و اثرات آن بر روی مأموریتهای مشاهدات زمین، به کاربردهای تاسواره پرداخته میشود. درنهایت، این نتایج با الزامات فنی مأموریتهای مشاهدات زمین مقایسه شده و توانمندی ماهوارههای تاسواره برای انجام این مأموریتها ارزیابی میشود. بر این اساس، امکان انجام چندین مأموریت مشاهدات زمین توسط ماهوارههای تاسواره شناسایی شده که بهصورت بالقوه با توانمندیهای این نوع ماهواره سازگار میباشند.یافتهها: منظومههای تاسواره، حجم زیادی از تصاویر ماهوارهای را به زمین ارسال میکنند که خود موجب شکلگیری کلان دادهی سنجش از دوری شده و بنابراین نیازمند بهکارگیری هوش مصنوعی برای محاسبه، پردازش و ذخیرهی کلان دادهها است. قیمت پایین، ابعاد کوچک، چرخهی تولید و توسعه در زمان کوتاه و کاهش زمان دید مجدد، یکی از مهمترین مزایای تاسوارهها است که پایش مخاطرات طبیعی و نظارت مستمر بر محیط زیست را میسر کرده است. علاوه بر معماری ساده و کاهش هزینههای توسعه و پرتاب تاسوارهها، نیاز به سرمایهگذاری کمتر نیز، امکان مشارکت شرکتهای خصوصی و دانشگاهها در مأموریتهای فضایی را فراهم نموده است. در کنار نقاط قوت منظومهی تاسوارههای مشاهدات زمین، میتوان به توان تفکیک رادیومتریک پایین، کاهش نسبت سیگنال به نویز و درنتیجه کاهش کیفیت تصویر در مدارات غیرخورشید آهنگ، تفکیکپذیری طیفی پایین و وابستگی به تصاویر ماهوارههای بزرگ و تصاویر پهپادی، به عنوان نقاط ضعف کنونی آنها اشاره کرد.نتیجهگیری: پایش بههنگام سوانح طبیعی، آتشسوزی جنگلها و طغیان رودخانهها از جمله کاربردهای اصلی تاسوارهها میباشد که به دلیل توان تفکیک زمانی بالای منظومههای تاسواره، این امکان فراهم شده است. همچنین، پایش بیابانزایی، پایش خشکسالی، پایش تغییرات اقلیمی و بررسی اثرات آن بر کاهش یخچالهای طبیعی، ردیابی فعالیتهای بشر و تأثیرات زیستمحیطی و اقتصادی آن، بررسی آلودگی نوری شهرها، گسترش شهرها، تخمین قیمت مسکن و پایش حاشیهنشینی در شهرهای بزرگ، از دیگر کاربردهای منظومههای تاسواره میباشد. در حال حاضر، از تصاویر این منظومهها بهعنوان مکمل تصاویر ماهوارههای بزرگ برای بهبود توان تفکیک زمانی و رؤیت مناطق خاص در یک محدودهی زمانی خاص از شبانهروز استفاده میشود.
فناوری ماهواره
امیررضا کوثری؛ محمدرضا سقامنش؛ علیرضا احمدی
چکیده
پیشینه و اهداف: در زمان حاضر صنعت طراحی و ساخت و پرتاب ماهواره از انحصار دولتها خارج شده و نمایندگان متعدد بخش خصوصی در سراسر دنیا در حال رقابت با یکدیگر برای تصاحب سهم بیشتر در این فضای کسب و کار پر رونق میباشند. گرایش از تک-ماهوارههای بزرگ، با دورة عمر عملکردی زیاد در مدارهای با ارتفاع بالا به سمت منظومههای پر تعداد متشکل از ...
بیشتر
پیشینه و اهداف: در زمان حاضر صنعت طراحی و ساخت و پرتاب ماهواره از انحصار دولتها خارج شده و نمایندگان متعدد بخش خصوصی در سراسر دنیا در حال رقابت با یکدیگر برای تصاحب سهم بیشتر در این فضای کسب و کار پر رونق میباشند. گرایش از تک-ماهوارههای بزرگ، با دورة عمر عملکردی زیاد در مدارهای با ارتفاع بالا به سمت منظومههای پر تعداد متشکل از ماهوارههای کوچک با دورة عمر عملکردی کم و در مدارهای با ارتفاع پایین یکی از پیامدهای این تغییر است. امروزه صنایع فضایی به صورت فزایندهای تمایل به ساخت ماهواره در کلاس وزنی کوچک و هزینههای دورة عمر پایین دارند و پیشرفت فناوری در طراحی و ساخت هر یک از زیرسیستمهای ماهواره این روند را سرعت بخشیده و باعث شده ماهوارههای نسل جدید نه تنها از لحاظ سایز بلکه از لحاظ کارکرد نیز نسبت به ماهوارههای نسل قبل برتر باشند. یکی از نیازمندیهای طراحی، ساخت و پرتاب ماهوارههای ارزان قیمت به فضا، کاهش هزینههای دورة طراحی ماهواره میباشد. کاهش یا حذف سیکلهای متعدد در فرآیند طراحی و جایگزین کردن روشهای بهینهسازی سیکلیک با روشهای مستقیم میتواند در بهبود این روند مؤثر باشد.روشها: تکنیکهای سایزینگ سریع که تا حد زیادی در صنایع هوایی شناخته شده هستند به طراحان کمک میکنند که بتوانند در مدت زمانی کوتاه طرحی نزدیک به محصول نهایی ارائه نمایند. در این تحقیق ما روشی مشابه را برای VHR PS-AEOSs پیشنهاد میکنیم که به طراحان کمک میکند از تمامی انواع مرزبندیهای داخل فضای طراحی آگاهی یابند. مشابه آنچه که در طراحی هواپیما وجود دارد، در اینجا هدف نهایی، ایجاد یک فضای دو بعدی است که بتواند توصیفی از تمامی مراحل مأموریت را با استفاده از پارامترهای کلیدی پیکربندی ماهواره ارائه نماید. این ابزار طراحی فازهای بحرانی مأموریت به همراه فاکتورهای مربوط به فناوریهای کلیدی در هر یک را نمایش میدهد. در این روش، طراح قادر خواهد بود به سرعت در خصوص موانع فناورانهای که ممکن است در فازهای تحقیق، توسعه، تست و ارزیابی (RDT&E) طرح تأثیرگزار باشد تصمیمگیری نماید و/یا حتی نسبت به اعمال تغییراتی در مأموریت ماهواره با ذینفعان وارد مذاکره شود. از آنجا که معمولاً هزینههای دورة عمر ماهواره تحت تأثیر تصمیماتی هستند که در فازهای RDT&E گرفته میشوند بنابراین انتظار میرود این ابزار طراحی نقشی اساسی در پایین نگاه داشتن کل هزینههای دورة عمر ایفا نماید. اینگونه تکنیکهای سایزینگ سریع امکان بررسیهای مصالحهای بیشتری را در اختیار طراحان قرار میدهند.یافتهها: این تحقیق بر دو محور اصلی متمرکز بوده است: (1) امکان ایجاد یک فضای طراحی با ویژگیهای بالا برای سایزینگ سریع ماهواره، (2) مشخصات پارامتریک این فضای طراحی و شناسایی پارامترهای تأثیرگزار که این فضای طراحی را تشکیل میدهند. به عنوان مطالعة موردی نیز یک VHR PS-AEOS عملیاتی مورد بحث و بررسی قرار گرفته و با استفاده از ابزار ایجاد شده، سایز گردیده است.نتیجهگیری: حداکثر جرم VHR-PS-AEOS تا حد زیادی تحت تأثیر پیکربندی کلی آن میباشد و حداقل جرم آن نیز تحت تأثیر نرخ افت ارتفاع مداری در طی دورة عمر عملکردی ماهواره است. ابعاد محموله و جانمایی محموله در داخل سازه به منظور تأمین چابکی مورد نیاز، الزامات بحرانی برای تعیین ابعاد کلی ماهواره و در نتیجه سطح و حجم آن میباشند.
